Energie
Slimme stof zet warmte om in elektriciteit
Stel je kleding voor die je temperatuur monitort, je activiteit bijhoudt, of je zelf warm houdt zonder een externe stroombron nodig te hebben.
Nou, dit en meer wordt snel een realiteit dankzij al het onderzoek en de ontwikkeling die plaatsvinden op het snijvlak van technologie en kleding.
Technologische vooruitgang transformeert ons leven door onze telefoons en huishoudelijke apparaten slimmer te maken. Nu worden zelfs onze kleren slim, waardoor mogelijkheden ontstaan die de weg vrijmaken voor een opwindende en duurzamere toekomst.
De wereldwijde markt voor slimme textiel wordt momenteel gewaardeerd op $4,1 bln en is projected to rise to $24.5 bln by 2032. Interestingly, energy harvesting currently accounts for the largest share of this market, according to Markets and Markets.
Energie‑opslag zet omgevingsenergie om in elektrische energie om autonome elektronische apparaten van stroom te voorzien. Deze energie kan worden gewonnen uit verschillende bronnen, waaronder mechanische en thermische. Om energie‑opslagtextiel te creëren, worden actieve materialen meestal aan het oppervlak van de stof toegevoegd of erin geweven of geborduurd.
Dergelijke slimme stoffen kunnen mogelijk worden gebruikt als alternatief voor batterijen, die moeten worden opgeladen of periodiek moeten worden vervangen omdat ze slechts een beperkte hoeveelheid energie bevatten. In draagbare textieltoepassingen zijn batterijen vaak stijve, omvangrijke onderdelen die voor het wassen moeten worden verwijderd en daarom verbetering behoeven.
Hoewel deze sector zich nog in een relatief vroeg stadium bevindt, groeit ze snel, gedreven door een combinatie van factoren, waaronder technologische vooruitgang, design, consumentenvraag, miniaturisatie en overheidsbeleid.
Laten we nu een kijkje nemen in de opwindende innovaties in deze sector en de letterlijke kracht van de kleding die we dragen!
Slimme stof om lichaamswarmte om te zetten in elektriciteit
Een van de meest recente en opwindende ontwikkelingen werd gedaan door onderzoekers van de University of Waterloo in samenwerking met een toonaangevende instelling voor textielwetenschap en -techniek aan de Jiangnan University, die een slimme stof hebben gecreëerd die thermische energie van het lichaam en zonlicht omzet in elektrische stroom.
Deze slimme stof heeft de mogelijkheid om stroom te genereren, gezondheidsmetingen te observeren en fysieke activiteit bij te houden. Deze sensoren stellen de stof in staat temperatuurveranderingen te detecteren en druk, stress en chemische samenstelling te monitoren.
Een veelbelovende toepassing van deze stof is slimme gezichtsmaskers die de temperatuur en het ademhalingsritme kunnen volgen, evenals chemicaliën kunnen detecteren om aandoeningen zoals longkanker en virussen te identificeren. Volgens Yuning Li, directeur van het Printable Electronic Materials Lab aan de Waterloo en professor in de afdeling Chemische Technologie:
“We hebben een stofmateriaal ontwikkeld met multifunctionele detectiemogelijkheden en zelfvoorzienend potentieel, waardoor we dichter bij praktische toepassingen voor slimme stoffen komen.”
De door het team ontworpen stof is flexibel, MXene‑gebaseerd, thermoelectrisch en kan nauwkeurig rekstimulaties en temperatuur bepalen. Om dit te bereiken ontwikkelde het team een laag kleefende polydopamine (PDA) op het oppervlak van de nylonstof, die de hechting van MXene via waterstofbindingen faciliteerde.
MXene trekt veel aandacht vanwege de zeldzame combinatie van eigenschappen zoals gelaagde structuur, flexibiliteit, groot oppervlak, elektrische en metalen geleidbaarheid, biocompatibiliteit, hydrofiliteit, afmetingsaanpasbaarheid en rijke oppervlaktechemie. De studie merkte op:
“De resulterende MXene‑gebaseerde thermoelectrische stof vertoont een uitstekende temperatuurdetectiecapaciteit en cyclische stabiliteit, terwijl hij tevens uitstekende gevoeligheid, snelle respons (60 ms) en opmerkelijke duurzaamheid in rekdetectie (3200 cycli) levert.”
De nieuwe stof is niet alleen kosteneffectiever, duurzamer en stabieler dan andere stoffen op de markt, maar in tegenstelling tot de huidige draagbare apparaten die vaak moeten worden opgeladen, kan deze zonder externe stroombron functioneren. Op deze manier toont het onderzoek het enorme potentieel van het integreren van geleidend polymeer en MXene met moderne textieltechnologie voor de vooruitgang van slimme stoffen.
Met inachtneming van de verschillende vooruitgangen in technologie, inclusief AI, die zich snel ontwikkelt om geavanceerde signaalverwerking voor gezondheidsmonitoring en de bewaring van voedsel en farmaceutica te bieden, betoogde Li dat al deze ontwikkelingen afhankelijk zijn van ‘uitgebreide dataverzameling, die traditionele sensoren—vaak log, duur en onhandig—niet kunnen realiseren.’ Dit maakt gedrukte sensoren, ingebed in slimme stoffen, ideaal voor continue dataverzameling en monitoring, voegde Li toe.
Hoewel deze innovatieve stof een belangrijke stap voorwaarts betekent in het haalbaar maken van deze toepassingen, zullen de onderzoekers zich nu richten op het verder verbeteren van de mogelijkheden van de stof en de integratie ervan met elektronische systemen. Een smartphone‑app kan ook deel uitmaken van deze toekomstige ontwikkeling om gegevens van de stof te volgen en door te sturen naar zorgprofessionals voor realtime, niet‑invasieve gezondheidsmonitoring.
Vooruitstrevende stoffen van de toekomst
Vooruitgang in slimme kleding gebeurt al geruime tijd snel. In 2016 creëerden onderzoekers van het Georgia Institute of Technology in Atlanta creëerden een micro‑kabel stroomstof die energie kon oogsten uit zonlicht en beweging.
Hiervoor weefden de wetenschappers draad met dunne, vezelgebaseerde zonnecellen en tribo‑elektrische nanogeneratoren. De resulterende slimme stof had een enkele laag van 320 μm dik en kon worden geïntegreerd in tenten, gordijnen en diverse kledingstukken. Volgens de studie kon de textiel direct een mobiele telefoon opladen en een elektronische horloge continu van stroom voorzien.
Wetenschappers van NTU Singapore hebben ook ontwikkeld een ‘stof’ die lichaamsbeweging omzet in elektriciteit. Om deze rekbare en waterdichte stof te maken, gebruikten de wetenschappers een polymeer dat mechanische kracht, zoals drukken of knijpen, omzet in elektrische energie. De stof heeft een basislaag van rekbare spandex en is ook geïntegreerd met een rubberachtig materiaal dat het flexibel, sterk en waterdicht maakt.
In een experiment toonde het team aan dat tikken op een klein stukje van deze stof elektrische energie produceerde die effectief honderd LED’s kon laten branden. Bovendien hadden wassen, verknijpen of vouwen van de stof geen negatieve invloed op de prestaties en kon het een stabiele elektrische output behouden tot wel vijf maanden.
“We denken dat het in T‑shirts kan worden geweven of in schoenzolen kan worden geïntegreerd om energie te verzamelen uit de kleinste bewegingen van het lichaam, waardoor elektriciteit naar mobiele apparaten wordt geleid.”
– Studieleider Lee Pooi See, materiaalkundige, en NTU Associate Provost Professor
Hoewel slimme stoffen het onderwerp zijn van veel onderzoek en ontwikkeling, blijft hun kosteneffectiviteit een grote uitdaging. Hun gebrek aan praktische toepasbaarheid kan soms ook een probleem zijn.
Om deze problemen aan te pakken, hebben onderzoekers ontwikkeld next‑generation slimme textiel dat kan worden geproduceerd goedkoop kan worden geproduceerd met dezelfde machines als bij conventionele kleding. Onderzoekers toonden eerst aan dat het coaten van vezels met materialen die rekbestendig zijn, compatibel kan zijn met conventionele weefprocessen. Nu kan slim textiel ook worden gemaakt met geautomatiseerde processen, zonder beperkingen in grootte of vorm.
Dit is slechts het begin, want al deze interesse in slimme textiel leidt tot vele andere interessante innovaties. Bijvoorbeeld, deze vooruitgang heeft ook geleid tot de ontwikkeling van een draagbaar apparaat dat in de stof kan worden ingebed of als een jas gedragen kan worden. Het kan de drager camoufleren voor hitte‑detecterende sensoren, zoals nachtzichtbrillen, ongeacht het weer.
Terwijl het oppervlak van het apparaat snel opwarmt of afkoelt om zich aan te passen aan de omgevingstemperatuur, waardoor de lichaamswarmte van de drager wordt verborgen, blijft de binnenkant op dezelfde temperatuur als menselijke huid.
Ondertussen ontwikkelden onderzoekers aan de National University of Singapore een vocht‑aangedreven elektriciteitsgeneratie‑apparaat (MEG) met behulp van stof, zeezout, carboninkt en een speciaal waterabsorberend gel. Door één uiteinde van de stof constant nat en het andere uiteinde droog te houden, genereerde de koolstof‑gecoat stof een elektrische stroom die meer dan 150 uur elektriciteit kon produceren. Het functioneerde in feite als een batterij en leverde een hogere elektrische output dan een conventionele AA‑batterij, wat het potentieel aantoont voor het aandrijven van alledaagse elektronica.
Het concept van het MEG‑apparaat is gebaseerd op het vermogen van verschillende materialen om elektriciteit te genereren door interactie met vocht in de lucht. Dit toont de geschiktheid voor diverse praktische toepassingen, zoals draagbare elektronica en informatieopslagapparaten.
Ingenieurs hebben ook transistors en elektronische apparaten gemaakt van draad. Een dergelijk onderzoek omvatte het weven van dunne draden in stof om elektronische apparaten te creëren die op de huid gedragen kunnen worden of chirurgisch geïmplanteerd kunnen worden voor diagnostische monitoring.
De eerste op draad gebaseerde transistors (TBT’s) werden gecombineerd met op draad gebaseerde sensoren om de creatie van volledig flexibele, gemultiplexte apparaten mogelijk te maken. De TBT omvatte hier het coaten van een linnen draad met koolstofnanobuizen om een halfgeleideroppervlak te creëren waar elektronen doorheen kunnen bewegen, waarna deze werd bevestigd aan twee dunne gouden draden, waarvan één was verbonden met een elektrolyt‑doordrenkt gel.
Volgens de studie‑auteur Sameer Sonkusale, professor elektrotechniek en computertechniek aan de Tufts University School of Engineering:
“Er zijn veel medische toepassingen waarbij realtime meting van biomarkers belangrijk kan zijn voor de behandeling van ziekten en het monitoren van de gezondheid van patiënten. Het vermogen om een zacht en buigzaam diagnostisch monitoringsapparaat volledig te integreren dat de patiënt nauwelijks merkt, kan behoorlijk krachtig zijn.”
Intelligente stoffen voor aanpassing aan veranderende temperaturen
Een andere dimensie van slimme textiel die wordt onderzocht, is temperatuur‑adaptieve stof, die de energie‑efficiëntie verbetert door de behoefte aan verwarmings‑ of koelsystemen met stroom te verminderen.
In deze context introduceert nieuw onderzoek van de Hong Kong Polytechnic University, deze week gepubliceerd, ademende en thermisch geïsoleerde zachte robotkleding die zich automatisch kan aanpassen aan veranderende omgevingstemperaturen, waardoor de veiligheid van werknemers in warme omgevingen wordt gewaarborgd.
Interessant onderzoek van de American Chemical Society van enkele jaren geleden betrof de ontwikkeling van een materiaal dat de drager koelt zonder elektriciteit te gebruiken door warmte over te dragen en vocht van de huid te laten verdampen.
Aangezien airconditioning en andere koelingsmethoden verantwoordelijk zijn voor een aanzienlijk deel van het elektriciteitsverbruik in de VS, namen de onderzoekers een gerichte aanpak door het lichaam van een persoon te koelen in plaats van een hele kamer.
Hoewel kleding en textiel al zo ontworpen zijn, hebben de meeste hoge kosten, een lage koelcapaciteit en een groot elektriciteitsverbruik. Daarom maakten de onderzoekers het nieuwe materiaal door een polymeer, specifiek een waterafstotend polymeer, en een thermisch geleidend vulmiddel via elektrospinnen tot nanovezelsmembranen.
Deze membranen hadden voldoende grote poriën om zweet van de huid te laten verdampen en lucht te laten circuleren, terwijl ze water van buitenaf afstoten. De studie merkte op dat naast persoonlijke koeling, het membraan ook bruikbaar kon zijn voor ontzilting van zeewater, zonne‑energie‑verzameling en thermisch beheer van elektronische apparaten.
Van de American Chemical Society kwam ook een nieuw textiel dat je niet alleen koel houdt in de zomer maar ook warm in de winter, waardoor het uniek is in dit opzicht. Terwijl slimme textiel bekend staat om de drager te verwarmen of te koelen, is stof die beide kan doen niet echt gebruikelijk. Deze sterke maar comfortabele stof vereist bovendien geen energie‑invoer.
Om deze slimme stof te creëren, spanden de wetenschappers chitosan, afkomstig van het exoskelet van schaaldieren, en zijde, tot gekleurde vezels met poreuze microstructuren, die vervolgens werden gevuld met een fase‑veranderende polymeer genaamd polyethyleenglycol (PEG). De draad werd gecoat met polydimethylsiloxaan zodat vloeibare PEG, die thermische energie absorbeert en vrijgeeft, niet lekt.
De onderzoekers testten de stof, die flexibel, sterk en waterafstotend bleek te zijn, door deze in een stuk stof te weven dat vervolgens in een polyesterhandschoen werd verwerkt. Wanneer gedragen door een persoon en geplaatst in een warme kamer (122 °F), absorbeerde de vaste PEG de warmte en smolt tot een vloeistof, waardoor de huid werd gekoeld. Omgekeerd, wanneer blootgesteld aan koude (50 °F), stold de PEG, gaf warmte af en verwarmde de huid.
Volgens de onderzoekers kan de stof opgeschaald worden voor massaproductie omdat hij compatibel is met de bestaande textielindustrie.
Bedrijven die betrokken zijn bij energie‑opslag slimme stoffen
Laten we nu een kijkje nemen bij bedrijven die in het veld van slimme stoffen innoveren:
#1. Adidas
Het bedrijf bracht een decennium geleden het eerste paar slimme schoenen uit. De schoenen hadden een sensor, microprocessor, elektrische motor en een slim elektronisch textielmateriaal.
In 2021 onthulde Adidas zijn nieuwe textielinnovatie, STRUNG, die wordt beschreven als een industrieel eerste textiel- en creatieproces. Deze innovatie stelt Adidas in staat verschillende structuren te bouwen en te testen voordat het gekozen ontwerp naar de STRUNG‑robot wordt gestuurd. Dit productconcept is volledig data‑gedreven schoeisel voor een specifiek hardloperprofiel.
Adidas heeft een marktkapitalisatie van $43 bln, en de aandelen worden verhandeld tegen $119,58, een stijging van 16,74 % YTD. De EPS (TTM) is -0,37, en de P/E (TTM) is -325, terwijl het dividendrendement 0,32 % bedraagt, volgens CNBC. Voor Q2 2024 rapporteerde het Duitse sportkledingbedrijf een omzet van €5,82 mrd, een nettowinst van €196,0 mio en een winstmarge van 3,4 %, een stijging ten opzichte van 1,6 % in 2Q23.
#2. DuPont De Nemours
In de wereld van slimme kleding heeft DuPont stretchbare elektronische verbindingen gelanceerd via Intexar™. Deze slimme kledingtechnologie transformeert gewone stoffen tot actieve en intelligente kledingstukken die kritieke biometrische gegevens leveren, zoals hartslag, ademhalingsfrequentie en spierspanning.
DuPont heeft een marktkapitalisatie van $33,47 bln, en de aandelen worden verhandeld tegen $80,19, een stijging van 4,22 % YTD. Het heeft een EPS (TTM) van 0,72 en een P/E (TTM) van 111,16, terwijl het dividendrendement 1,90 % bedraagt, volgens CNBC. Voor Q2 2024 rapporteerde het bedrijf een stijging van 2 % in nettowinst tot $3,2 bln en een aangepaste vrije kasstroom die met 53 % steeg tot $425 mln.
(DD )
Andere prominente namen die werken aan slimme kleding omvatten het in het VK gevestigde Pireta, dat een uniek additief proces heeft ontwikkeld dat geleidbaarheid aan stoffen toevoegt zonder de prestaties of drapering van het kledingstuk te beïnvloeden. Dan is er Collebak’s Solar Charged jas die overdag licht absorbeert en ‘s nachts uitstraalt. Xenoma’s e‑skin, ondertussen, is een slimme shirt met sensoren om lichaamsbewegingen en fysiologische gegevens te monitoren. OMSignal heeft bio‑sensing kleding die energie‑opslagtextiel gebruikt om sensoren in de stof van stroom te voorzien om hartslag, ademhaling en andere vitale tekenen te monitoren.
Applied Materials, Nike, SolarEdge Technologies, Smartex en Sensoria werken ook in dit veld.
In Europa hebben verschillende bedrijven samengewerkt om het GRAPHERGIA‑project te lanceren, met als doel de manier waarop energie wordt gewonnen in textiel en batterijsystemen te transformeren. Het project begon eind vorig jaar om slimme textiel te pionieren die zich aanpassen aan het lichaam en zichzelf opladen.
“We zien een wereld waarin je kleding meer doet dan er goed uitzien — het voedt je apparaten, fungeert als sensor en verbindt je naadloos met het Internet of Things (IoT).”
– Prof. Spyros Yannopoulos, projectcoördinator voor GRAPHERGIA
Conclusie
Al deze opwindende innovaties die we hierboven bespraken, maken van mode nu een manier die niet alleen kracht uitstraalt in uiterlijk, maar letterlijk energie genereert. Door textiel te integreren met energie‑opslag, kunnen we ook milieuvriendelijke, alomtegenwoordige en duurzame draagbare energieoplossingen hebben.
Energie‑efficiënte stoffen komen duidelijk naar voren als de toekomst van mode, waardoor een geheel nieuwe wereld van draagbare technologie wordt geopend. De enige beperking hier is onze verbeelding.
